Повышение производительности токарной обработки маложестких деталей из никелевых сплавов на основе моделирования динамики процесса резания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Яковлев, Максим Григорьевич

• Яковлев, Максим Григорьевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Яковлев, Максим Григорьевич

Введение.

1. Обзор литературы и производственного опыта по влиянию вибраций на процессы обработки резанием.

1.1. Автоколебания и вынужденные колебания при резании деталей из жаропрочных сплавов.

1.2. Моделирование и анализ колебательных процессов при резании.

1.3. Влияние вибраций на изнашивание режущего инструмента.

1.4. Определение стойкости режущего инструмента.

1.5. Выводы по главе 1. Формулировка целей и задач исследования.

2. Разработка динамической модели автоколебаний технологической системы и определение их влияния на работоспособность инструмента при токарной обработке.

2.1. Разработка расчетной схемы колебаний технологической системы.

2.2. Разработка нелинейной динамической модели процесса токарной обработки с учетом фрикционных явлений в зоне резания.

2.3. Решение системы нелинейных уравнений динамической модели процесса токарной обработки.

2.4. Расчет изменения сил и температур при автоколебаниях технологической системы и их влияние на работоспособность инструмента при токарной обработке.

3. Разработка методов расчета и средств измерений частотных характеристик процесса токарной обработки для прогнозирования стойкости режущего инструмента.

3.1. Разработка измерительной системы для проведения исследований.

3.2. Выбор расчетной схемы колебаний технологической системы и разработка линейных уравнений ее перемещений.

3.3. Разработка модели для расчета сил резания в зависимости от толщины срезаемого слоя.

3.4. Решение линейной системы уравнений, описывающей движения резца в процессе обработки.

3.4.1. Экспериментальное определение эмпирических коэффициентов модели сил резания.

3.4.2. Экспериментальная идентификация параметров технологической системы при помощи частотного анализа.

3.4.3. Решение линейной системы уравнений, характеризующих динамические перемещения инструмента.

3.5. Решение нелинейной системы уравнений движения резца и нахождение зависимости между эмпирическим фрикционным коэффициентом и скоростью резания.

3.6. Экспериментальное определение коэффициентов модели для расчета стойкости инструмента с учетом сил, температур в зоне резания и автоколебаний технологической системы.

4. Экспериментальные исследования влияния динамических характеристик технологической системы и режимов резания на стойкость инструмента.

4.1. Сравнение расчетных значений амплитудо-частотных характеристик процесса резания с экспериментальными результатами.

4.2. Выбор метода оценки стойкости инструмента в зависимости от интенсивности изнашивания инструмента и изменения сил резания.

4.3. Сравнение экспериментальных результатов и расчетных значений стойкости инструмента в зависимости от режимов резания и динамических характеристик технологической системы.

5. Внедрение результатов исследований в производство.

5.1. Оценка динамических характеристик технологической системы.

5.2. Инженерная методика уточнения режимов резания с учетом динамических характеристик технологической системы и свойств обрабатываемого материала.

5.3. Нормативы на режимы резания типовых жаропрочных сплавов с учетом их свойств и динамических характеристик технологической системы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение производительности токарной обработки маложестких деталей из никелевых сплавов на основе моделирования динамики процесса резания»

Актуальность вопроса.

Эффективность обработки деталей из жаропрочных материалов резанием существенно зависит от динамического поведения технологической системы "станок-приспособление-инструмент-деталь". Эта зависимость подтверждается многочисленными исследованиями и практическим опытом технологов предприятий. Однако отсутствие количественных зависимостей между динамическими характеристиками технологической системы и изнашиванием инструмента не позволяет назначать наиболее эффективные режимы резания для конкретных технологических процессов. Указанная проблема машиностроительного производства в большей степени сказывается на операциях механической обработки с применением маложесткого инструмента: глубокого сверления, растачивания, концевого фрезерования и др. Вместе с тем особенно актуальна эта проблема в технологии авиадвигателестроения, где широко применяются тонкостенные детали из жаропрочных труднообрабатываемых материалов. В процессе токарной обработки таких деталей возникают повышенные силы резания и автоколебания технологической системы, приводящие к интенсивному изнашиванию, сколам и поломкам инструмента и, как следствие, к снижению производительности и качества обработки.

В производственных условиях для уменьшения колебаний технологической системы при обработке резанием приходится снижать режимы резания, ограничивать допустимый износ инструмента и т.д. Все эти мероприятия проводятся опытным путем в производственных условиях и повышают трудоемкость технологической подготовки производства таких деталей.

Успешное решение проблем повышения эффективности резания и снижение вибраций при токарной обработки состоит в разработке динамической модели автоколебаний технологической системы с целью анализа условий их возбуждения и интенсивности, а также оценки их влияния на стойкость инструмента. Такая модель, и методика на ее основе позволят уже на стадии технологической подготовки производства выбирать рациональные режимы резания в зависимости от различных динамических условий обработки заготовок на металлорежущих станках.

Научная новизна работы заключается в:

- разработанной и экспериментально подтвержденной нелинейной динамической модели процесса токарной обработки, описывающей автоколебания инструмента и учитывающей регенеративный механизм возбуждения колебаний при движении инструмента по поверхности, образованной на предыдущем обороте, и нелинейную зависимость силы трения от относительной скорости между инструментом и деталью;

- установленной функциональной зависимости стойкости инструмента при токарной обработке маложестких деталей из никелевых сплавов от сил резания и контактных температур при автоколебательном процессе резания.

Практическая ценность работы заключается в:

- разработанных методиках и алгоритмах расчета амплитуды и частоты автоколебаний технологической системы и стойкости режущего инструмента в зависимости от жесткости технологического оборудования, режимов резания и свойств обрабатываемого материала позволяющих выбрать производительные режимы токарной обработки маложестких деталей из никелевых сплавов;

- создании и внедрении диагностического стенда, позволяющего измерять силовые характеристики и параметры вибраций инструмента в процессе резания, необходимые для идентификации коэффициентов модели стойкости режущего инструмента и параметров динамической модели;

- разработанных технологических рекомендациях по выбору рациональных режимов токарной обработки в зависимости от жесткости технологической системы "станок-приспособление-инструмент-деталь".

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: "Актуальные проблемы Российской космонавтики" (XXXI чтения по космонавтике, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007), "Новые материалы и технологии НМТ-2008" (Москва, МАТИ, 2008), "Будущее машиностроения России" (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка использованной литературы.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Яковлев, Максим Григорьевич

Общие выводы по работе

1. В диссертационной работе решена важная научно-техническая задача повышения производительности токарной обработки маложестких деталей из жаропрочных никелевых сплавов за счет выбора рациональных режимов резания на основе построенных динамической модели процесса точения и функциональной зависимости стойкости инструмента, учитывающей вибрации при резании.

2. Применение разработанных моделей, методик и алгоритмов за счет интенсификации режимов резания с учетом выявленного влияния вибраций на процесс резания обеспечило повышение производительности токарной обработки маложестких деталей из жаропрочных сплавов на 40%.

3. Разработанная нелинейная динамическая модель процесса токарной обработки, описывающая автоколебания технологической системы, возбуждаемые по регенеративному механизму и за счет фрикционных явлений при взаимодействии инструмента и заготовки, позволяет рассчитывать вибрационные перемещения инструмента в зависимости от жесткостных характеристик технологической системы, свойств обрабатываемого материала и режимов резания.

4. Установленная и подтвержденная экспериментами расчетная зависимость износа инструмента от сил резания и температур при автоколебательном процессе токарной обработки позволяет прогнозировать стойкость режущего инструмента в зависимости от жесткостных характеристик технологической системы, свойств обрабатываемого материала и режимов резания.

5. Разработанная инженерная методика по идентификации параметров динамической модели позволяет определять жесткость технологической системы "станок-приспособление-инструмент-деталь".

6. На основании полученных научно-технических результатов был разработан и внедрен на ФГУП ММПП «Салют» автоматизированный стенд, измеряющий силы и вибрации в процессе резания для ускоренного выбора технологических условий токарной обработки деталей.

7. По результатам проведенных исследований разработаны и рекомендованы к внедрению в производство технологические рекомендации по выбору рациональных режимов токарной обработки деталей типа колец и дисков из жаропрочных никелевых сплавов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Яковлев, Максим Григорьевич, 2009 год

1. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Наука, 1981.-568 с.

2. Армарего И.Дж.А., Браун Р.Х., Обработка металлов резанием. М. Машиностроение, 1977. - 325 с.

3. Башков В.М., Кацев П.Г. Испытания режущего инструмента на стойкость. М.: Машиностроение, 1975. -136 с.

4. Безъязычный, В.Ф., Кожина, Т.Д., Киселев Э.В. Автоматизированная система назначения технологических условий точения // Сб. науч. трудов «Инструментообеспечение и современные технологии в технике и меди- . цине. Ростов-на-Дону», 1997. с 24-26.

5. Бидерман В.А. Теория механических колебаний. М.: Высшая школа, 1980. -408 с.

6. Бобров В. Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975.-343 с.

7. Васин С. А., Верещака А.С., Кушнер B.C. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании: Учеб. для техн. Вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 448 с.

8. Вейц B.JL, Дондошанский В.К., Чиряев В.И. Вынужденные колебания в металлорежущих станках. JL: МАШГИЗ, 1959.-289 с.

9. Вибрации в технике. Т.2 // под редакцией М.Д. Генкина. М.: Машиностроение, 1981. - 497 с.

10. Вульф А. М. Резание металлов. JL: «Машиностроение», 1973. - 496 с.

11. Гольденберг JI.M., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов: Учебное пособие. М.: Радио и связь, 1990. -260 с.

12. Горелов В.А. Автоматизированный многопараметровый стенд для экспресс-оптимизации режимов резания // Двигатель, 2006. № 5(47). - с. 12-13.

13. Горелов В.А. Совершенствование технологии обработки жаропрочных сплавов на основе теоретических методов диагностики процесса резания // Высокие технологии: тенденции развития. Мат. XIII МНТС в Алуште. Харьков, 2003.- С. 64-71.

14. Горелов В.А. Термомеханический анализ обработки резанием жаропрочных сплавов // Омский научный вестник, 2006. №10. - С. 24-28.

15. Горелов В.А., Кушнер B.C. Термомеханический подход к исследованию процесса резания жаропрочных сплавов // Технология машиностроения, 2005. -№9.-С. 30-33.

16. Горелов В.А., Семенов В.А. Технологические возможности диагностических стендов на базе микро-ЭВМ // Технология авиационного двигателе-строения, 1988. № 1 - с. 23-25.

17. Горелов В.А., Семенов В.А., Чугрин Г.В. Принципы построения автоматизированных диагностических комплексов. // Технология авиационного двигателестроения, 1988. № 1. — с. 15-18.

18. Горелов В.А. Разработка методов и средств эффективного выбора режимов резания труднообрабатываемых материалов на основе термосиловых характеристик процессов. Дис. док. техн. наук. — М.,2007. -390 с.

19. Грановский Г. И., Грановский В. Г. Резание металлов: Учебник для маши-ностр. и приборостр. спец. вузов. -М.: Высшая школа, 1985. 304 с.

20. Гуревич Д. М. Адгезионно-усталостное изнашивание твердосплавного режущего инструмента // Вестник машиностроения, 1986, №5. С. 43-45.

21. Дзугутов М. Я. «Пластичность и деформируемость высоколегированных сталей и сплавов». 3-е изд., доп. и перераб. - М.: Металлургия, 1990. -301 с.

22. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом -Л.: Машиностроение, 1986.-179с.

23. Заковоротный В.А. Исследование динамической характеристики резания при автоколебаниях инструмента // Известия Северо-Кавказского научного центра высшей школы. Технические науки. 1978. - №2. - С. 37-41.

24. Зорев Н.Н. Механика резания металлов. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1956. - 368 с.

25. Каширин А.И. Исследование вибраций при резании металлов. М. - Л.: Изд-во АН СССР, 1944. - 237 с.

26. Кедров С.С. Колебания металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1978.- 199 с.

27. Козочкин М. П. Виброакустическая диагностика технологических процессов. М.: ИКФ «Каталог», 2005. - 196 с.

28. Козочкин М.П., Панов С.Н., Кузнецова В.Д., Дуров М.Н. Методы снижения шума металлорежущих станков и их узлов. Методические рекомендации. М.: ВНИИТЭМР, 1986. - С. 68.

29. Кондратов А.С. Параметры системы СПИД и технологические условия максимальной технико-экономической производительности обработки деталей на станках токарной группы // Методические материалы НИАТ, 1981.-48 с.

30. Кочеровский Е.В., Лихциер Г.М. Диагностики состояния режущего инструмента по силовым характеристикам процесса резания. М., 1988. - 40 с.

31. Крагельский И. В. Трение и износ // Изд. 2-е. М.: Машиностроение, 1968. -480 с.

32. Кривоухов В.А., Воронов А.А. Высокочастотные вибрации резца при точении. -М.: Оборонгиз, 1956. -77 с.

33. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. -359 с.

34. Лоладзе Т. Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1982. -320 с.

35. Макаров А. Д. Износ и стойкость режущих инструментов. М.: Машиностроение, 1966. - 264 с.

36. Макаров А. Д. Оптимизация процесса резания. М.: Машиностроение, 1976.-278 с.

37. Марков А. И. Ультразвуковая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1980.-237 с.

38. Меррит. Теория автоколебаний металлорежущих станков // Конструирование и технология машиностроения. 1965. - Т.87, №4. - С. 62-72.

39. Митропольский Ю.А., Мартынюк Д.И. Лекции по теории колебаний систем с запаздыванием. Киев: Издательство ин-та математики АН УССР. 1969. -3099 с.

40. Мухин В. С., Макаров А. Д. Оптимизация процесса механической обработки по физическим параметрам, качеству поверхностного слоя и долговечности деталей из жаропрочных сплавов, Уфа: УАИ, 1976. — 116 с.

41. Мурашкин Л.С., Мурашкин С.Л. Прикладная нелинейная механика станков. — Л.: Машиностроение, 1977. — 192с.

42. Мышкис А.Д. Линейные дифференциальные уравнения с запаздывающим аргументом. М.: Наука, 1972. -352 с.

43. Остафьев В. А. Расчет динамической прочности режущего инструмента. -М.: Машиностроение, 1979. 168 с.

44. Ота, Коно. О самовозбуждающихся вибрациях станка или обрабатываемой детали, вызываемых регенеративным влиянием следа и запаздыванием // Конструирование и технология машиностроения. — 1974. Т.96, №4. -с.246-257.

45. Палей С.М., Решетов Д.Н., Антонов А.В. Контроль состояния режущего инструмента по силе резания. // Станки и инструмент, 1992. № 2. с 31-33.

46. Палей С.М. Диагностика режущего инструмента на станках с ЧПУ: -Учебное пособие. М.: Международная книга, 1998. -72 с.

47. Писаренко Г.С., Лебедев А.А. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии. Киев, «Наукова Думка», 1976. -415 с.

48. Подураев В. Н. Обработка резанием жаропрочных и нержавеющих материалов. М.: Высшая школа, 1965. - 520 с.

49. Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. М.: Машиностроение, 1968.-311 с.

50. Подураев В. Н. Резание труднообрабатываемых материалов. М.: Высшая школа, 1974. - 587 с.

51. Подураев В.Н., Ярославцев В.М. Стойкость инструмента при прерывистом резании // Станки и инструмент, 1969. №10. - С. 25-28.

52. Пановка Я.Г. Введение в теорию механических колебаний.- М: "Наука", 1971.-240с.

53. Постнов В. В., Шаринов Б. У., Шустер JI. Ш. Процессы на контактных поверхностях, износ режущего инструмента и свойства обработанной поверхности. Свердловск: Изд-во Уральского ун-та, 1988. - 224 с.

54. Проскуряков А.П. Метод Пуанкаре в теории нелинейных колебаний. М.: Наука, 1977. -256 с.

55. Процессы механической и физико-химической обработки в производстве авиационных двигателей: Учебное пособие / А.Г. Бойцов, А.П. Ковалев, А.П. Новиков и др. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. -584 с.

56. Полетика М.Ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента. М.: Машиностроение, 1969. -148 с.

57. Работнов Ю.Н. Введение в механику разрушения. М.: Наука, 1987. - 97 с.

58. Режимы резания труднообрабатываемых материалов. / Под ред. Я.Л. Гуревича. Справочник. — М.: Машиностроение, 1986. -240 с.

59. Резников А. Н. Теплофизика резания. М.: Машиностроение, 1969. - 288 с.

60. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М.: Машиностроение, 1998. - 279 с.

61. Рубашкин И.Б. Оптимизация металло-обработки при прямом цифровом управлении станками. JL: Машиностроение, 1980. -142 с.

62. Сараванья-Фабис, Д"Суза. Нелинейный анализ устойчивости автоколебаний при резании // Конструирование и технология машиностроения . 1974. - Т. 96, №2. - С. 292-299.

63. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: «Наука», 1967.-428 с.

64. Силин С. С. Метод подобия при резании металлов. М.: Машиностроение, 1979.- 152 с.

65. Синопальников В.А., Григорьев С.Н. Надежность и диагностика технологических систем // Учебник. М.: ИЦ МГТУ «СТАНКИН», Янус-К, 2003.-331 с.

66. Старков В.А. Управление стабильностью и качеством и автоматизированном производстве. М.: Машиностроение, 1989. — 296 с.

67. Соломенцев Ю. М. Митрофанов В. Г., Протопопов С. П. Адаптивное управление технологическими процессами. М.: Машиностроение, 1980. — 536 с.

68. Справочник по технологии резания материалов. В 2-х кн. // Под ред. Г. Шпура, Т. Штеферле: Пер. с нем. В. Ф. Колотенкова и др. / под ред. Ю. М. Соломенцева. Кн. 1. М.: Машиностроение, 1985. - 616 с.

69. Тлустый И. Автоколебания в металлорежущих станках. М.: Машгиз, 1956. -395 с.

70. Шкаликов B.C., Пеллинец B.C., Исакович Е.Г., Цыган Н.Я. Измерение параметров вибраций и удара. М.: Издательство стандартов, 1981. -278 с.

71. Шустер Л.Ш. Адгезионное взаимодействие твердых металлических тел. -Уфа: Гилем, 1999. 199 с.

72. Экспериментальная механика. Т.2 // Под ред. А. Кобояси, перевод Б.Н. Уманова. -М.: МиР, 1990. -552 с.

73. Якобе Г.Ю., Якоб Э., Кохан Д. Оптимизация резания. М.: Машиностроение, 1981. -279 с.

74. Altintas Y. Manufacturing automation. Metal cutting mechanics, machine tool vibrations, and CNC design. Cambridge: Cambridge UniversityPress, 2000.

75. Astakhov V.P. Metal cutting mechanics. Boca Raton, USA: CRC Press; 1998.

76. Itava K. and Ueda K. The significance of the dynamic crack behavior in chip formation // Annals of the CIRP, 1992. № 25, p. 65-70.

77. Komvopoulos K., Erpenbeck S.A. Finite element modeling of orthogonal metal cutting // Journal of Engineering for Industry / ASME, 1991. № 113. - P. 253 -267.

78. Oxley P.L.B. Mechanics of machining: an analytical approach to assessing machinability. New York, USA: Wiley, 1989.

79. Ozel Т., Zeren E. Determination of work material flow stress and friction for FEA of machining using orthogonal cutting tests // Journal of Materials Processing Technology, July 2003.